DIODE La diode (du grec di deux, double ; odos voie, chemin) est un composant lectronique. C'est un diple non-linaire et polaris (ou non-symtrique)Le sens

de branchement de la diode a donc une importance sur le fonctionnement du circuit lectronique.Sans prcision ce mot dsigne un diple qui ne laisse passer le courant

lectrique que dans un sens. Ce diple est appel diode de redressement lorsqu'il est utilis pour raliser les redresseurs qui permettent de transformer le courant

alternatif en courant unidirectionnel.

Sommaire

1 Historique 2 Symbole

3 Fabrication 4 Fonctionnement thorique

o 4.1 Caractristique

o 4.2 Principe de fonctionnement o 4.3 Autres types de diode

5 Applications des diodes o 5.1 lectronique o 5.2 lectrotechnique

Historique

Le premier dispositif capable de laisser passer le courant lectrique dans un sens, tout en le

bloquant dans l'autre, fut dcouvert en 1874 par Karl Ferdinand Braun avec un cristal de galne. Cet appareil est aujourd'hui connu sous le nom de diode pointe(Une diode pointe est un type de diode compos d'un bloc de matriau semi-conducteur plac en contact avec une pointe d'un

matriau mtallique.Les diodes pointe ont t utilises comme dtecteurs pour la rception des signaux radio et radar. Elles ont une tension de seuil et une capacit trs faibles.), bien que le

terme diode n'ait t propos qu'en 1919 pour la diode vide1. Jagadish Chandra Bose l'utilisa pour la dtection des ondes radio, et ce systme fut largement diffus ds les dbuts de la radiodiffusion, dans les annes 1920, dans le poste galne.

Au dbut du XXe sicle, on utilisait des redresseurs oxyde de cuivre ou au slnium pour la conversion du courant alternatif en courant continu. Cette utilisation persista dans la plus grande partie du sicle pour la charge des batteries.

En 1901, Peter Cooper Hewitt (en) inventa le redresseur vapeur de mercure, utilis pour les

applications de puissance jusqu'aux annes 1970.

la mme poque, recherchant amliorer la dtection des ondes radio, John Fleming mettait au point le premier tube lectronique, la diode vide, dont la cathode, chauffe, met des

lectrons que l'anode peut capter, tandis que le contraire n'est pas possible. C'est l'poque du premier essor de l'lectronique, autour des industries du tlphone et de la radio, que les ingnieurs adoptent le terme de diode pour un tube lectronique deux lectrodes, tandis que la

triode, invente en 1906, en a trois.

La diode semi-conducteur au germanium ou au silicium vient remplacer les tubes vide aprs la Seconde Guerre mondiale. Leur chute de tension dans le sens direct (sens passant) est moins

leve courant gal et elles sont plus pratiques mettre en uvre, n'exigeant pas de courant de chauffage. Cependant, les diodes vide persistent tant que le tube lectronique reste l'lment actif des appareils : elles fournissent une tension compatible avec les autres tubes, et

l'alimentation des circuits doit de toutes faons fournir un courant de chauffage des filaments.

Le dveloppement des semi-conducteurs a entran la cration de nombreuses varits de diodes, exploitant les caractristiques de la jonction P-N, ou, dans le cas des diodes

lectroluminescentes, des proprits annexes du matriau.

Symbole

Fabrication

A : reprsente l'anode, relie la jonction P.

K : reprsente la cathode, relie la jonction N.

Les diodes sont fabriques partir de semi-conducteurs(Un semi-conducteur est un matriau qui a les caractristiques lectriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilit qu'un lectron puisse contribuer un courant lectrique, quoique faible, est suffisamment importante. En d'autres termes, la conductivit lectrique d'un semi-conducteur est intermdiaire entre celle des

mtaux et celle des isolants.). Leur principe physique de fonctionnement est utilis dans de nombreux composants actifs en lectronique.

Une diode est cre en accolant un substrat dficitaire en lectrons c'est-

-dire riche en trous (semi-conducteur type P) un substrat riche en

lectrons libres (semi-conducteur de type N ou mtal).

La plupart des diodes sont ralises par la jonction de deux semi-

conducteurs : l'un dop P l'autre dop N .

La diode Schottky quant elle est constitue d'une jonction semi-

conducteur/mtal.

La connexion du ct P s'appelle l'anode ; celle du ct N ou mtal porte

le nom de cathode.

Seule la diode Gunn chappe totalement ce principe : n'tant constitue que d'un barreau monolithique d'arsniure de gallium, son appellation diode peut tre

considre comme un abus de langage.

Pour les diodes cylindriques, le ct de la cathode est gnralement repr par un anneau de couleur. D'autre formes de reprage existent selon la nature de

l'encapsulation de ces composants.

Fonctionnement thorique

La diode est un diple semi-conducteur (jonction P-N), qui possde deux rgimes de fonctionnement : bloqu et passant.Ces rgimes de fonctionnement ne sont pas

contrlable directement, mais dpendent de la tension Vak aux bornes de la diode et de l'intensit du courant Id(courant direct, peu aussi s'crire If avec F pour

Forward) la traversant.

Caractristique

Caractristique relle

Caractristique relle d'une diode.

Lorsque la diode est bloque, Id n'est pas compltement nul mais vaut quelques nA

(courant de fuite).

Vseuil est une donne fournie par les constructeurs et vaut typiquement :

0,3 V pour les diodes au germanium ; 0,7 V pour les diodes au silicium.

Pour une diode de signal (diode type 1N4148 ), l'quation mathmatique

entre la tension Vj aux bornes de la diode et le courant I qui la traverse est

la suivante :

avec :

Vo= 26 mV T = 293 K (T : temprature de jonction)

Io= constante spcifique au type de diode considr (Io a la dimension d'un courant)

Modlisation de la diode l'aide de la caractristique :

l'aide de la caractristique on peut modliser une diode passante par l'association d'une force lectromotrice Us(la tension de seuil) qui s'oppose au passage du courant en srie avec une rsistance Rd(la rsistance dynamique).

La diode dont la caractristique dans le sens passant est reprsente ci-dessus peut tre modlise par l'association de Us= 0,72 V et Rd= 25 m.

La rsistance dynamique de la diode est la pente de sa caractristique.

Dans certain cas il sera judicieux de ngliger l'un ou l'autre de ces paramtres :

la tension de seuil si elle est faible par rapport aux autres tensions du montage ; la rsistance dynamique si la chute de tension qu'elle provoque est faible devant les

tensions du montage.

Lorsque la diode est dite idale, on suppose que ces deux paramtres sont nuls.

Caractristique idale

Caractristiques techniques

Principe de fonctionnement

Lors de l'aboutement des deux cristaux, les lectrons surabondants de la partie N ont tendance

migrer vers la partie P pour y boucher les trous . Il se cre alors une zone sans porteur de charge, isolante, appele zone de dpltion. Il existe donc, l'quilibre thermodynamique, une

diffrence de potentiel entre la partie N et la partie P (dite potentiel de jonction) ; celle-ci est de l'ordre de 0,7 V pour les diodes substrat silicium, 0,3 V pour le germanium et les diodes

Schottky ; elle est plus importante pour certains substrats type III-V comme GaAs ou les diodes lectroluminescentes. Le champ lectrique est maximal aux abords de la jonction, dans une zone appele zone de charge d'espace, ZCE.

Si maintenant l'on applique une tension positive ct N et ngative ct P, la jonction se creuse : les lectrons de la section N sont attirs vers l'extrmit du barreau, un phnomne

symtrique se produit ct P avec les trous : la ZCE(zone de charge d'espace) s'tend, aucun courant ne peut circuler, la diode est dite bloque ; elle se comporte alors comme un

condensateur, une proprit mise profit dans les varicaps, diodes dont la capacit varie en fonction de la tension inverse qu'on leur applique ; elles sont utilises entre autres dans la ralisation d'oscillateurs commands en tension (OCT, anglais VCO).

les paires lectrons-trous cres dans le substrat la suite de l'agitation thermique, acclres par le champ lectrique externe, vont pouvoir acqurir une nergie cintique suffisante pour arracher, par choc contre le rseau cristallin, d'autres lectrons, etc. (effet d'avalanche) ;

l'nergie du champ lectrique devient suffisante pour permettre aux lectrons de valence de passer en bande de conduction (effet Zener). Ces derniers franchissent la jonction par effet tunnel.

ces deux phnomnes, dont la prdominance rsulte de la concentration en dopant, donnent lieu l'apparition d'un courant inverse important et non limit, qui aboutit

souvent la destruction (claquage) du cristal par effet Joule. La diode prsente en effet une rsistance trs faible dans cette plage de fonctionnement. La tension inverse laquelle se produit le phnomne s'appelle tension d'avalanche (souvent note VBR de

l'anglais Voltage Breakdown Reversed) Si ce courant est limit au moyen de rsistances externes, la diode en avalanche se

comporte alors, du fait de sa faible rsistance interne, comme une rfrence de tension (un rcepteur de tension) quasi parfaite : cette proprit est l'origine de l'utilisation des diodes dites Zener dans la rgulation de tension continue.

En revanche, lorsque l'on applique une tension directe , c'est--dire que l'on applique une tension positive du ct P et ngative du ct N, pourvu que cette tension soit

suprieure la barrire de potentiel prsente l'quilibre, les lectrons injects du ct N franchissent l'interface N-P et terminent leur course soit en se recombinant avec des trous, soit l'anode via laquelle ils peuvent rejoindre la source d'alimentationn 4 : le

courant circule, la diode est dite passante . Lorsqu'un lectron tombe dans un trou (recombinaison), il passe d'un tat libre un

tat li ; il perd de l'nergie (diffrence entre le niveau de valence et le niveau de conduction) en mettant un photon ; ce principe est l'origine des diodes lectroluminescentes ou DEL, dont le rendement dpasse considrablement celui des

sources de lumire domestiques : lampes incandescence, lampes halogne. Une DEL dont le substrat a t faonn pour servir de rflecteur aux photons peut donner lieu du

pompage optique, aboutissant un rayonnement laser (diode laser). Le fonctionnement d'une diode n'est pas simple apprhender lorsqu'on n'a pas fait

d'tudes caractre scientifique. Une manire plus simple et image pour comprendre le

fonctionnement d'une diode est de raliser une analogie avec l' hydrodynamique. Soit une canalisation munie d'un clapet anti-retour : dans un sens, partir d'une certaine pression

du fluide, le clapet va laisser passer le fluide (analogie avec la tension de seuil), dans l'autre sens, le fluide ne fera pas ouvrir le clapet, sauf si la pression est trop forte (analogie avec la tension inverse maximale). L'analogie peut tre pousse, et on peut

trouver des correspondances avec toutes les autres caractristiques d'une diode (puissance, allure de la caractristique).

Autres types de diode

Diode Schottky

La diode Schottky est constitue d'une jonction mtal/semi-conducteur ce qui lui procure une chute de tension directe rduite (0,3 V environ) et une dynamique nettement amliore du fait de l'absence de porteurs minoritaires engags dans le processus de conduction. Elle est en revanche

incapable de supporter des tensions au del d'une cinquantaine de volts.

Diode Zener

La diode Zener est plus fortement dope qu'une diode conventionnelle. L'effet Zener lieu lorsque, sous l'effet de l'application d'une tension inverse suffisante, l'augmentation du champ lectrique provoque la libration des porteurs de charge de telle sorte que le courant augmente brutalement et que la tension aux bornes reste pratiquement constante. D'autres diodes,

nanmoins classifies comme diodes Zener, fonctionnent selon l' effet d'avalanche. Ces diodes permettent de faire de la stabilisation de tension et de l'crtage. On peut aussi utiliser une diode

Zener comme source de bruit.

Diode Transil

La diode Transil est un composant du type parasurtenseur destin la protection des circuits. Son

fonctionnement se base sur l'effet d'avalanche.

Diode lectroluminescente

La diode lectroluminescente, d'abord cantonne aux signalisations conomes en courant, gagne depuis les annes 2000 le monde de l'clairage (lampes de poche, clairages de secours, balisage)

depuis qu'au dbut des annes 1990 les recherches permirent la cration des bleues, puis des blanches. Certaines (au nitrure de gallium ou GaN) sont dj assez puissantes pour des phares de

voitures et lampadaires (ventuellement solaires) et un projet europen vise en faire des clairages domestiques (20 % de la production lectrique allemande alimente le seul clairage) capables de rivaliser avec les lampes basse consommation des annes 1990-2000.

Photodiode

La photodiode gnre un courant partir des paires lectrons-trous produites par l'incidence d'un photon suffisamment nergtique dans le cristal. L'amplification de ce courant permet de raliser

des commandes en fonction de l'intensit lumineuse perue par la diode (interrupteur crpusculaire par exemple).

Diode Gunn

La diode Gunn consiste en un simple barreau d'arsniure de gallium (GaAs), et exploite une proprit physique du substrat : les lectrons s'y dplacent des vitesses diffrentes (masse effective diffrente) suivant leur nergie (il existe plusieurs minima locaux d'nergie en bande de

conduction, suivant le dplacement des lectrons). Le courant se propage alors sous forme de bouffes d'lectrons, ce qui signifie qu'un courant continu donne naissance un courant

alternatif ; convenablement exploit, ce phnomne permet de raliser des oscillateurs micro-ondes dont la frquence se contrle la fois par la taille du barreau d'AsGa et par les

caractristiques physiques du rsonateur dans lequel la diode est place.

Diode PIN

Dans la diode PIN est une diode dans laquelle est interpose, entre ses zones P et N, une zone non dope, dite intrinsque (d'o I). Cette diode, polarise en inverse, prsente une capacit

extrmement faible, une tension de claquage leve. En revanche, en direct, la prsence de la zone I augmente la rsistance interne ; celle-ci, dpendante du nombre de porteurs, diminue

quand le courant augmente : on a donc une impdance variable, contrle par une intensit (continue). Ces diodes sont donc soit utilises en redressement des fortes tensions, soit en commutation UHF (du fait de leur faible capacit inverse), soit en attnuateur variable (contrl

par un courant de commande continu).

Diode effet tunnel

La diode effet tunnel dsigne une diode dont les zones N et P sont hyper-dopes. La multiplication des porteurs entrane l'apparition d'un courant d au franchissement quantique de la barrire de potentiel par effet tunnel (une telle diode a une tension de Zener nulle). Sur une

faible zone de tension directe, la diode prsente une rsistance ngative (le courant diminue lorsque la tension augmente, car la conduction tunnel se tarit au profit de la conduc tion normale ), une caractristique exploite pour raliser des oscillateurs. Ce type de diode n'est

quasiment plus employ actuellement.

Diode vide

La diode vide, anctre des diodes semi-conducteurs modernes, est un tube lectronique qui utilise l'effet thermoonique pour raliser sa tche de redressement du courant. Bien qu'elle soit tombe en dsutude cause de sa taille et de sa consommation de courant, ce type de diode est recherch par les amateurs de restauration d'anciens appareils tubes.

Applications des diodes

lectronique

En srie dans un circuit :

redressement de tension (conversion courant alternatif vers courant continu, semi -redress) ; dtection de valeur crte ou d'enveloppe ou d'une modulation dans la transmission en

modulation d'amplitude7,8,9,10 ; les diodes sont en gnral l'lment non-linaire ncessaire la multiplication de frquence htrodyne11 ;

une diode peut servir de protection contre une erreur de branchement d'un circuit aliment en courant continu en empchant la circulation du courant dans le mauvais sens.

En parallle :

restitution de composante continue pour la transposition d'un signal lectrique9 ; rgulation de tension simple (alimentations simples de montages lectroniques) et rfrence de

tension avec une diode Zener9,12 ; montages crteurs9,13 et protection contre les surtensions (diode Zener, Transil) ;

Une diode en srie, l'autre en parallle :

multiplicateurs de tension9,14 ou pompe diodes, dont multiplicateurs de tension Schenkel ; transposition de niveau d'un signal par pompe diodes (par exemple : gnration d'une

alimentation ngative partir d'une alimentation positive)9.

Les diodes dites de roue libre sont un lment capital de l'alimentation dcoupage.

Elles sont utilises pour la compensation des variations de temprature15 et en thermomtrie (mesure de temprature en fonction de la variation de la caractristique).

Les diodes permettent la ralisation de circuits logiques cbls simples9.

Utilises en pontage (bypass en anglais) elles assurent la protection des gnrateurs (panneaux solaires photovoltaques en srie, etc.)

Les diodes lectroluminescentes, utilises en signalisation, dans les photocoupleurs et en clairage sont une application particulirement visible, tandis que dans l'impression laser, des diodes laser, dissimules au regard, dessinent les parties qui doivent rester blanches sur le papier.

Les diodes Gunn permettent la production de rayonnement de trs haute frquence faible

puissance.

Les diodes varicap ont leur application pour l'accord des rcepteurs radios et TV.

lectrotechnique

Article dtaill : Redresseur.

Les diodes sont un des diples de base de l'lectronique de puissance.

Elles peuvent tre utilises en courant alternatif pour diminuer la puissance fournie par l'alimentation un rcepteur : en supprimant l'une des alternances, elles permettent de diviser par deux la puissance transmise la charge16 pour un cot trs modique. Cette technique est par exemple utilise pour obtenir deux puissances de chauffe dans les sche-cheveux, une diode, place en srie avec la rsistance de chauffage, est mise en court-circuit par un interrupteur pour obtenir la puissance de chauffe maximalen 5.

Les diodes sont frquemment utilises dans le domaine de redressement de courant alternatif, par

exemple en monophas :

redressement simple alternance : une seule diode est ncessaire17 ; redressement double alternance : on utilise pour cela un pont de diodes (pont de Gratz)18,19 ou

deux diodes sur les sorties en opposition de phase d'un transformateur point milieu.

Quelques notions

On dit qu'un diple est non linaire si sa caractristique nest pas une droite.Un dipole est dit polaris si sont fonctionnement n'est pas le mme en inversant le sens du courant lectrique. Exemples de diples polariss:Les moteurs, les diodes et les DEL sont des dipoles polariss.). Les diodes sont polarises car elles laissent passer le courant dans un sens mais le bloquent dans l'autre.

Un semi-conducteur est un matriau qui a les caractristiques lectriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilit qu'un lectron puisse contribuer un courant lectrique, quoique

faible, est suffisamment importante. En d'autres termes, la conductivit lectrique d'un semi-conducteur est intermdiaire entre celle des mtaux et celle des isolants.

Leffet d'avalanche est un phnomne qui peut se produire dans des matriaux isolants et semi-conducteurs. Il s'agit d'un effet multiplicateur du courant lectrique l'intrieur de

matriaux qui taient, jusqu'au dclenchement du phnomne, de bons isolants.

L'effet tunnel dsigne la proprit que possde un objet quantique de franchir une barrire de potentiel mme si son nergie est infrieure l'nergie minimale requise pour franchir cette

barrire. C'est un effet purement quantique, qui ne peut pas s'expliquer par la mcanique classique. Pour une telle particule, la fonction d'onde, dont le carr du module reprsente la densit de probabilit de prsence, ne s'annule pas au niveau de la barrire, mais s'attnue

l'intrieur de la barrire, pratiquement exponentiellement pour une barrire assez large. Si, la

sortie de la barrire de potentiel, la particule possde une probabilit de prsence non nulle, elle peut traverser cette barrire. Cette probabilit dpend des tats accessibles de part et

d'autre de la barrire ainsi que de l'extension spatiale de la barrire.

Dans le domaine des semi-conducteurs, le dopage est l'action d'ajouter des impurets en petites quantits une substance pure afin de modifier ses proprits

de conductivit.

Les proprits des semi-conducteurs sont en grande partie rgies par la quantit de porteurs de charge qu'ils contiennent. Ces porteurs sont les lectrons ou les trous. Le dopage d'un matriau

consiste introduire, dans sa matrice, des atomes d'un autre matriau. Ces atomes vont se

substituer certains atomes initiaux et ainsi introduire davantage d'lectrons ou de trous.

Les atomes de matriau dopant sont galement appels impurets, et sont en phase dilue : leur concentration reste ngligeable devant celle des atomes du matriau initial.